立管反冲阻尼的制作方法
【专利摘要】一种与海底井一起使用的器具，其包括：上立管部分，下立管部分，和将该上和下立管部分联接在一起的弱联接部；和联接在该上和下立管部分之间的机构，其用于阻抑跟着该弱联接部的断裂的该上立管部分的反冲，该阻抑是由于当该上和下立管部分分开时发生该机构的部件或多个部件的塑性变形产生的。
【专利说明】立管反冲阻尼
【技术领域】
[0001]本公开总得涉及立管反冲阻尼，并且更具体地涉及跟着立管弱联接部的断开的立管反冲的阻尼，该立管弱联接部设计成提供故障保护机构。
【背景技术】
[0002]立管是从海表面上的钻探平台延伸到海床的管并且用于有效地将海底井延伸到表面钻井设施。立管可以在海床处被连接至防喷器和井口。在海表面处，立管可以被连接至钻探船(或平台)。该立管可以被用于将钻探泥浆从钻孔输送到钻探船，并且还提供了用于钻探管和其它从该船延伸至井口的工具的通道。当该船位于海表面上时，该船将随着海表面上的浪上下移动。提供装置来允许该船在一范围值内的竖直移动，同时保持立管上的张紧。然而，这些装置不足以补偿该船的极端运动，例如在非常恶劣的天气条件期间。这些装置可以不注意地停止工作，结果是没有补偿的船或漂浮平台。因此，弱联接部可以在预定位置或高度处被设置在立管或立管联接部中，其在立管上在预定量的张力、弯曲力矩或其组合下失效或释放。如果弱联接部失效或释放，该弱联接部下方的立管部分可仍连接到防喷器，而弱联接部上方的立管部分可仍连接到该船。该上立管部分的突然释放和其向上的动能可对该钻探船造成严重危险。该向上移动可被立管内的气体或流体的正压力进一步驱动。
【发明内容】
[0003]根据本发明的第一方面，提供了与海底井一起使用的器具，其包括:上立管部分，下立管部分，和将该上和下立管部分联接在一起的弱联接部；和联接在该上和下立管部分之间的机构，其用于阻抑跟着该弱联接部的断裂的该上立管部分的反冲，该阻抑是由于当该上和下立管部分分开时发生该机构的部件或多个部件的塑性变形产生的。
[0004]该机构可以包括联接至所述下立管部分或者与所述下立管部分形成整体的第一部分，和联接至所述上立管部分或者与所述上立管部分形成整体的第二部分，跟着该弱联接部的断裂该第一和第二部分配合以使该部分中的一个或两者塑性变形。
[0005]该塑性变形可以是由该第一部分切削过该第二部分。
[0006]该第一部分可以包括一个或多个剪切刀，和所述第二部分包括剪切板或多个剪切板，其中所述塑性变形通过剪切刀或多个剪切刀切削过该(多个)剪切板来实现。
[0007]第二部分可以包括圆筒形剪切板，该圆筒形剪切板关于立管部分的一个或两者同轴地设置，并且所述剪切刀或多个剪切刀从上或下立管部分径向向外延伸。
[0008]该或每个剪切板可以形成有沿着该板轴向延伸的弱化区域或多个弱化区域，从而跟着该弱联接部的断裂，每个弱化区域被剪切刀接合。
[0009]该或每个弱化区域可以具有沿其轴向范围的恒定径向厚度；或者沿其轴向范围的变化的径向厚度，从而当该上和下立管部分分开时由该机构施加的阻尼力被控制。
[0010]所述塑性变形可以是由所述第一部分的所述第二部分内或的弯曲。
[0011]所述第一和第二部分可以包括各自的圆筒，该各自的圆筒可伸缩地彼此接合。
[0012]流体紧封件可以被形成在所述第一和第二部分之间，以便在该立管内容纳流体。
[0013]圆筒中的一个可以具有形成在其上的限制部，在立管反冲以造成所述塑性变形期间该限制部由该圆筒中的另一个接合，或者由该圆筒中的另一个支撑的部件接合。所述部件可以是支撑在形成在支撑圆筒中的肩部上的环形套筒。
[0014]根据本发明的第二方面，提供了与海底井一起使用的立管或立管区段，其包括:定位在该立管或立管区段内、弱联接部上方的阀，该阀被配置成在正常使用中打开并且紧跟着该弱联接部的断裂关闭，以便实质上容纳在该立管内、该阀上方的流体。所述阀是挡板阀。
[0015]该立管或立管区段可以还包括保持打开的部件，该保持打开的部件被联接至所述弱联接部下面的下立管部分或者与下立管部分形成整体，当该弱联接部完整无损时该保持打开的部件保持所述阀打开，并且跟着该弱联接部的断裂，该保持打开的部件被从所述阀移位，以允许该阀关闭。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1示出了通过在第一、正常操作配置中的立管弱联接部区段的左手侧的竖直横截面；
[0017]图2示出了通过跟着举起的在第二、启动配置中的立管弱联接部区段的右手侧的竖直横截面；
[0018]图3示出了通过跟着落下的在第二、启动配置中的立管弱联接部区段的右手侧的竖直横截面；
[0019]图4示出了通过结合了替换反冲阻尼机构的立管弱联接部的局部竖直横截面；
[0020]图5示出了通过剪切管或板的水平横截面；
[0021]图6示出了通过阻尼设备的竖直横截面；
[0022]图7示出了通过具有压力端负载抑制阻尼设备的弱联接设备的竖直横截面；
[0023]图8示出了通过具有压力端负载抑制阻尼设备的弱联接设备的竖直横截面，作为该弱联接部释放的结果该压力端负载抑制阻尼设备被接合。
【具体实施方式】
[0024]图1示出了用于反冲阻尼的机构，其可以被结合到接近弱联接机构的立管内。通过举例，下立管部分I可以被耦合到井的顶部处的海底组件，例如结合防喷器，而第二立管部分2包括主立管区段的底端。阻尼机构的负荷承载能力确保了其在负荷下在弱联接部的失效或释放之前不会失效。尽管这里不详细介绍，但是其他配置是可能的，例如其中上和下立管部分1、2实际上是连接在上和下立管部分的相应端周围的分开的部件，或者是连接到上和下立管部分的表面上的条或面板。
[0025]在所示实施例中，该弱联接部由连接在上和下立管部分之间的简单剪切销来提供。尽管在图中仅示出了单独的剪切销，但是可以提供多个这样的销或者任何其他弱连接机构。当立管上的张力超过一些预定的阈值，该弱联接部将会释放。实际的阈值能通过使用例如具有不同默认阈值的剪切销来调整。在弱联接部失效之后，该阻尼机构将起作用。
[0026]在弱联接部的失效或释放后，阻尼机构将允许上立管部分2相对于下立管部分I的向上行进，如果该上立管部分2克服了阈值力。该阈值力小于释放弱连接设备所需的力。该阈值力是足以克服由阻尼机构产生的阻力，该阻尼机构由结构件4、5和6形成。该机构包括部分I的内直径限制部4.环形套筒或挡块5设置在立管部分I和2之间。套筒5具有大于该限制部4的外直径。套筒5围绕部分2，形成了部分I和2之间的环形空间中的流体密封。
[0027]肩部6形成在上立管部分2的外表面的周围以支撑套筒5。套筒5最初搁靠在肩部6上并且被形成在下立管部分I中的内直径限制部4限制向上运动。在弱联接部3失效的情况下，上立管部分2将能够相对于下立管部分I向上行程，只要足够大的张力持续被施力口。套筒5被肩部6迫使上升，当其行进时使下立管部分I变形，即，使下立管部分I的直径变大。
[0028]图2示出了弱联接部3和上立管部分2的向上行进的立管配置。上立管I的变形是材料的塑性变形并且该变形是永久性的。下立管部分I优选是由例如相对软的金属或金属合金的易延展材料形成的。上立管2和套筒5具有表面硬度，该表面硬度大于下立管部分I的表面硬度以避免磨损问题。上立管部分2或套筒5的较大强度可以通过使用当与下立管部分I相比较大的厚度来获得。使下立管部分I变形所需的能量阻抑了上立管部分2的反冲。该反冲能通过适当选择可变形部位的长度，以及可变形部分的形状来控制。上和下立管部分的完全分开可以或不可以发生，根据立管移动的程度和对分开的期望。
[0029]变形过程是这样的，即，在立管部分分开之前，如果立管部分I和2之间的分开力由于一些原因减小或者反方向，套筒5很卡能保持在其相对于下立管部分I的最高位置，同时上立管部分2向下行程到下立管部分I内。图3示出了该情形。套筒5保持连续密封上和下立管部分之间的环状部，以防止泄漏。当然，如果张力回复，在立管部分的分开发生之前能实现进一步的变形。
[0030]应理解，跟着剪切销或弱联接部3的破裂，可以允许上和下立管部分的相对旋转。这是有优势的，因为这有助于降低立管内的扭力。
[0031]由于上立管中的弯曲力矩的旋转将被下立管部分I和上立管部分2之间的径向间隙容纳。在行程期间，构件5在该情况下将在一侧处行进稍微多一些，以呈现相对于下立管的中心线的角度。
[0032]下立管部分I的在限制部4的上方的厚度能轴向地改变，从而需要来使该限制部变形的力相应地改变。增加或减小该限制部的厚度(即，径向向内的程度)将增加或减小所需使限制部变形的力。这允许对上和下立管部分的分开率的进一步控制。
[0033]能设想并不要求套筒与上和下立管部分分开的实施例。例如，形成在上立管部分2上的肩部6能具有足够大的外直径，以接触和使下立管部分I变形。还可以使立管部分的方位反向，由此设置在下立管部分上的阻尼部件被替代地设置在上立管部分上，反之亦然。
[0034]图4示出了用于立管反冲阻尼的替换机构。该设备设置在立管周围，接近形成在颈圈22内的弱联接部。颈圈22提供对于剪切销23的结构支撑和将剪切销23固定地连接到上例管区段24。剪切销23由具有高塑性特征的金属例如铝来制造。剪切管可以具有一对或几对直径上相反和轴向延伸的弱化区域25，如图5中所示(通过该剪切管的横截面)。颈圈22的下侧支撑一对固定地连接到下立管部分27的剪切刀26。
[0035]跟着弱联接部的失效或释放，在没有阻尼机构存在的情况下，上立管24将突然向上移动。然而，在阻尼机构位于合适位置时，该向上移动将被剪切刀26所需来剪切过剪切管23的金属的(弱化区域25)的力来减慢。所需的剪切力将根据弱化区域25的厚度和剪切刀的性质。能通过改变剪切刀的数量和弱化的区域25/剪切管23的轴向长度，和通过调整该管和刀材料的性质来获得进一步的控制。图6示出了跟着张力在该立管上的松弛，仍连着上和下立管部分，但在大多数情况下，可以发生完全分开。通过轴向地改变剪切管的厚度，需要增加或减小的净力来维持剪切动作，进一步允许阻尼力的控制。
[0036]2立管之间的旋转将被一个刀调节，该刀比另一个剪切得更多，这允许2立管在它们各自的中心线之间具有角度。
[0037]在上面公开的第一个实施例中，部分I的易延展材料是可塑性变形的并且该变形是不可逆的，但该易延展材料在所应用的压力下并不断裂。在第二个实施例中，在由刀施加的应力下，易延展材料被变形至断裂点。
[0038]根据该进一步实施例(图4)，在剪切后在上和下立管部件之间并没有设置密封件，因为切开的凹进部形成了流体能漏出的开口。然而，密封件可以设置在该设备周围。
[0039]如所讨论的，剪切管23可以是圆筒形的，被关于该立管同轴地设置。在替换设计中，该剪切管可以由平坦板更换，例如，每个刀一个板。板和刀优选地围绕立管对称地设置，从而该阻尼设备并不引起该立管的侧向移动。
[0040]该剪切管机构可以与图1至3的设备结合使用，和/或多个剪切管可以在同一立管上使用。剪切管以及上和下立管部分上的剪切刀的方位可以倒置。
[0041]通过沿它们的长度改变弱化的区域25的厚度，能控制剪切该剪切管的力，例如，展现逐渐减小或增加的剪切力。
[0042]该刀和该剪切管支撑件(例如，颈圈22)可以被连接至立管，从而它们能关于该立管旋转以避免弱联接部释放之后的扭矩。
[0043]上面描述的实施例的优点是在弱联接部的失效或释放之后阻抑该上立管部分的突然运动没有延迟。该机构还能有助于维持上和下立管部分的连接，只要船形件或平台的向上运动并不超过该阻尼机构的可操作长度。可以通过改变材料的厚度和选择材料的硬度或材料的性质来控制沿着该机构的长度的阻尼的量。当与例如液压阻尼装置相比时该机构还是相对简单和节省成本的。因为这是意在意外情况下工作的安全性功能，该简单性将积极地影响可靠性。
[0044]可能进一步需要考虑的问题是，当弱联接部失效时，S卩，立管可以包括高压下的大量气体，从而，假设上和下立管部分的完全分开，该上立管部分将被逸出气体向上驱动，增加了反冲力。气体的存在和弱连接机构的可能释放是独立的事件，和为了具有最佳的反冲系统，必要的阻尼力的估计将受挑战于气体射流力的存在。为了解决该问题，可以在上立管部分的底部处引入限流器或阀，阀被配置成跟着弱联接部的断裂以关闭，因此消除了或最小化了该挑战。当换算阻尼设备时这在方程中不考虑增加的射流力。
[0045]图7示出了立管，该立管包括在弱联接部的任一侧上的上和下立管部分，具有设置在上立管部分I中的大致圆形的挡板阀，就在弱联接部的上方。铰链34枢转地将挡板阀连接到上立管部分上。挡板座35在上立管部分的内周边周围延伸，就在弱联接部上方。圆柱形流动管37从下立管部分向上延伸以穿进上立管部分内，并且在正常工作配置中保持挡板阀32打开。如果弱联接部31断裂，上和下立管部分将移动开，并且流动管37将从上立管部分退出，以允许挡板流动管靠着挡板座35关闭，作为由上立管部分内的加压气体施加的力的结果。除了作用在挡板上的重力之外，弹簧也有助于挡板关闭。
[0046]在图8中示出了断裂的弱联接部31，其具有处于其关闭位置的挡板阀32。挡板阀的关闭应是快速的，跟着弱联接部的断裂该阀完全地、立即地关闭。尽管优选利用该挡板阀完全密封该上立管部分的下端，但这不是重要的，因为小泄漏不会产生显著大小的向上力。
[0047]可以考虑下面的替换方案:
[0048].挡板阀可以包括弹簧布置以有助于关闭挡板。
[0049].挡板组件可以是连接在弱联接部和上立管之间的单独的单元。
[0050].挡板组件可以是弱联接单元的整体部分。
[0051]挡板阀机构可以被用作独立机构，以减小立管反冲，或者其可以与如上参照图1-6描述的阻尼机构之一结合使用。在后者情况下，挡板阀可以被配置成在上和下立管的完全分开之前或之后关闭。
[0052]本领域技术人员会理解可以对上述实施例进行各种修改，而不偏离本发明的范围。
【权利要求】
1.与海底井一起使用的器具，其包括: 上立管部分，下立管部分，和将该上和下立管部分联接在一起的弱联接部；和 联接在该上和下立管部分之间的机构，其用于阻抑跟着该弱联接部的断裂的该上立管部分的反冲，该阻抑是由于当该上和下立管部分分开时发生该机构的部件或多个部件的塑性变形产生的。
2.根据权利要求1的器具，所述机构包括联接至所述下立管部分或者与所述下立管部分形成整体的第一部分，和联接至所述上立管部分或者与所述上立管部分形成整体的第二部分，跟着该弱联接部的断裂，该第一和第二部分配合以使该部分中的一个或两者塑性变形。
3.根据权利要求2的器具，其中所述塑性变形是由该第一部分切削过该第二部分。
4.根据权利要求3的器具，所述第一部分包括一个或多个剪切刀，和所述第二部分包括剪切板或多个剪切板，其中所述塑性变形通过剪切刀或多个剪切刀切削过该(多个)剪切板来实现。
5.根据权利要求4的器具，其中所述第二部分包括圆筒形剪切板，该圆筒形剪切板关于该立管部分的一个或两者同轴地设置，并且所述剪切刀或多个剪切刀从该上或下立管部分径向地向外延伸。
6.根据权利要求4或5的器具，其中该或每个剪切板形成有沿着该板轴向延伸的弱化区域或多个弱化区域，从而跟着该弱联接部的断裂，每个弱化区域被剪切刀接合。
7.根据权利要求6的器具，其中该或每个弱化区域具有: 沿其轴向范围的恒定径向厚度；或者 沿其轴向范围的变化的径向厚度，从而当该上和下立管部分分开时由该机构施加的阻尼力被控制。
8.根据权利要求2的器具，其中所述塑性变形是由所述第一部分的所述第二部分内或的弯曲。
9.根据权利要求3的器具，其中所述第一和第二部分包括各自的圆筒，该各自的圆筒可伸缩地彼此接合。
10.根据权利要求9的器具，包括流体紧封件，该流体紧封件形成在所述第一和第二部分之间，以便在该立管内容纳流体。
11.根据权利要求9或10的器具，该圆筒中的一个具有形成在其上的限制部，在立管反冲以造成所述塑性变形期间，该限制部由该圆筒中的另一个接合，或者由该圆筒中的另一个支撑的部件接合。
12.根据权利要求11的器具，其中所述部件是支撑在形成在该支撑圆筒中的肩部上的环形套筒。
13.与海底井一起使用的立管或立管区段，其包括:定位在该立管或立管区段内、弱联接部上方的阀，该阀被配置成在正常使用中打开并且紧跟着该弱联接部的断裂而关闭，以便实质上容纳在该立管内、该阀上方的流体。
14.根据权利要求13的立管或立管区段，其中所述阀是挡板阀。
15.根据权利要求13或14的立管或立管区段，其包括保持打开的部件，该保持打开的部件被联接至所述弱联接部下面的下立管部分或者与下立管部分形成整体，当该弱联接部完整无损时该保持打开的部件保持所述阀打开，并且跟着该弱联接部的断裂，该保持打开的部件被从所述阀移位， 以允许该阀关闭。
【文档编号】E21B17/01GK104053853SQ201180076266
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2011年11月18日 优先权日:2011年11月18日
【发明者】L·雷纳斯, T·G·威诺尔, M·赛特 申请人:斯塔特伊石油公司